CC BY
769
УДК 697.245, 621.643/644
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ГАЗОВЫХ СЕТЕЙ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Т.Р. КУСКИЛЬДИН, директор
ОАО «Газпром газораспределение Уфа» Центральный филиал (Россия, 450069, Республика Башкортостан, Уфа, Калининский р-н, д. Князево, ул. Кирова, д. 2). E-mail: [email protected] М.Е. ДМИТРИЕВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа Б.Н. МАСТОБАЕВ, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1) E-mail: [email protected]
В работе освящены актуальные проблемы снижения эксплуатационной надежности газоснабжения потребителей в результате несовершенного развития газораспределительных систем. Рассмотрены основные причины возникновения дефицита пропускной способности газопроводов, снижения качества одорированного газа при его транспортировке конечным потребителям, а также проведен анализ работы существующих узлов управления потоками газа, выявлены недостатки в их конструкции. Определены предпосылки создания комплексной системы мониторинга газораспределительных сетей с целью обеспечения надежного и безопасного распределения газа.
Ключевые слова: газопровод, газовые сети, одоризация, запорная арматура, эксплуатационная надежность, система мониторинга.
В последние годы масштабно ведутся работы по стратегическому градостроительному развитию территорий муниципальных и городских образований, сельских и городских поселений с целью улучшения условий формирования комфортной среды жизнедеятельности населения на ближайшую и отдаленную перспективу. В результате разрабатываются генеральные планы населенных пунктов, которые учитывают изменившийся устрой внутри освоенных территорий, а именно плотность и этажность застройки, планируется строительство школ, детских садов, предприятий обслуживания населения. Кроме того, имеется тенденция расширения существующих населенных пунктов, особенно районных центров, в результате образуются новые микрорайоны, коттеджные и дачные поселки, производственные и сельскохозяйственные предприятия. Еще одним заметным изменением в структуре энергообеспечения населения малоэтажной застройки (до трех этажей), является децентрализация систем теплоснабжения многоквартирных жилых домов, то есть перевод их на поквартирные системы отопления от индивидуальных газовых котлов, а также установка отдельных котельных для объектов соцкультбыта и ликвидация центральных котельных с сопутствующими тепловыми сетями. Последнее связано в первую очередь с энергосбережением и плохим состоянием центральных котельных, требующих масштабной реконструкции со значительными затратами.
Приведенные выше преобразования влекут за собой определенные проблемы в развитии газораспределительных систем, а именно возникает перераспределение потоков газа, в результате чего в сети образуются узкие места и дефицит пропускной способности газовой сети, что, в свою очередь, приводит к снижению технической возможности подключения к существующей сети газораспределения новых потребителей, а это препятствует социально-экономическому развитию.
Также отмечаются случаи хаотичного (неупорядоченного) развития газораспределительных сетей, что приводит к снижению эксплуатационной надежности существующих систем распределения газа и создает препятствие для дальнейшего их развития. В ряде случаев системы развиваются не как единый объект газоснабжения, а отдельными элементами (участками) сети, что приводит к занижению диаметров газопроводов и, соответственно, к снижению давления на значительно загруженных участках системы.
В результате все вышеизложенное сказывается на надежности газоснабжения конечного потребителя, так как параметры газа, в частности давление перед газоиспользующим оборудованием, могут не соответствовать нормативным значениям. Отклонение указанного параметра газа в распределительных сетях приводит не только к снижению эксплуатационной надежности газоиспользующего оборудования и безопасности использования газа в качестве топлива, но и влечет за собой экономические последствия в виде
повышенного расхода газа прибором. Последнее связано, в свою очередь, с тем, что предприятиями-изготовителями газоиспользующего оборудования дается гарантируемая степень надежности выпускаемого оборудования лишь при его работе в интервалах рабочих параметров сетевого газа. За пределами этого интервала оборудование работает с малой эффективностью и порой даже со сбоями, а именно с пониженным коэффициентом полезного действия, увеличенным расходом газа. В результате в продуктах сгорания повышается содержание окислов азота, увеличивается сажеобразова-ние, образуются опасные для жизни человека продукты неполного сгорания газа. Кроме того, эксплуатация газопотребляющих приборов сопровождается повышенными выбросами в атмосферу загрязняющих веществ, что по сегодняшнему законодательству энергосбережения и экологической безопасности недопустимо [1].
Поэтому в процессе эксплуатации газораспределительных систем необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению эксплуатационной надежности, под которой понимается обеспечение потребителей сетевым газом в требуемом объеме с параметрами, соответствующими техническим регламентам и нормативно-технической документации предприятий-изготовителей газоиспользующего оборудования.
Для решения указанных проблем необходим комплексный подход к мониторингу состояния параметров эксплуатационной надежности газораспределительной сети, а именно:
• оперативный замер давления в характерных точках газораспределительной сети в зимний период во время наиболее холодного времени года, когда имеют место пиковые максимальные нагрузки;
• определение расхода газа у потребителей (для коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных -по данным узлов учета газа, для населения - по данным газовых счетчиков, в случае их отсутствия - по нормам потребления газа);
• гидравлический расчет газораспределительной системы по фактическим параметрам сети и замеренным данным с целью определения пропускной способности газопровода;
• оценка пропускной способности газопроводов сетей газораспределения с целью определения технической возможности подключения перспективных потребителей и определения резерва пропускной способности.
Система мониторинга должна строиться на результатах моделирования работы газораспределительной сети по фактическим параметрам и режимам ее эксплуатации. По результатам моделирования производится оценка топологии, структуры, фактического объема газопотребления, а также технической возможности газораспределительной сети.
Схема системы мониторинга эксплуатационной надежности в направлении контроля резерва пропускной способности газораспределительной сети представлена на рис. 1.
| Рис. 1. Схема мониторинга контроля пропускной способности газовой сети
Исходная информация
Замер давления в характерных точках Определение расхода газа потребителями
Моделирование работы газораспределительной сети
Гидравлический расчет линейной части Расчет пропускной способности ПРГ
Оценка пропускной способности газораспределительной сети
Резерв пропускной способности Дефицит пропускной способности
Мероприятия по ликвидации дефицита пропускной способности
Линейная часть
Пункт редуцирования газа
Указанные выше мероприятия позволят планировать своевременную реконструкцию и вложения средств в новое строительство газовых сетей для обеспечения надежного, безопасного, рентабельного, устойчивого к внешним влияниям различной природы и инвестиционно-привлекательного газоснабжения потребителей.
В качестве мероприятий предполагается проводить своевременную реконструкцию и ликвидацию дефицита пропускной способности газопроводов известными способами: замена пунктов редуцирования газа, перекладка участка сети с увеличением диаметра газопровода, строительство газопроводов - закольцовок с целью подпитки ненадежного участка газопровода и выравнивания давления по сети в целом, а также реконструкцию с переводом участка газопровода на высшую категорию давления (повышение давления) с установкой пунктов редуцирования газа у каждого потребителя. В ряде случаев для выбора способа ликвидации пропускной способности и повышения эксплуатационной надежности необходимо решать задачи по выбору более оптимального и рационального способа приведения газораспределительной сети к надежной и безопасной работе.
В результате анализа работы существующих газораспределительных систем также отмечаются патологии схем газоснабжения, связанные с отсутствием секционирующих отключающих устройств, что влечет за собой в случае аварийных или плановых отключений большого количества потребителей, а также значительным потерям газа. Процесс подключения потребителей после остановок подачи газа весьма трудозатратный как с материальной точки зрения, так и в отношении потребностей профессионального персонала, задействованного в нем.
Кроме того, почти все существующие отключающие устройства проектировались и строились более 20 лет назад, когда их большая часть выполнялась по типовым проектам в подземном колодезном исполнении, и за годы эксплуатации данный вариант показал себя не в полной мере надежным с эксплуатационной точки зрения.
За время эксплуатации колодцев были выявлены следующие дефекты:
• в результате нарушения гидроизоляции в полость колодца попадали грунтовые и талые воды, что провоцирует
коррозионные процессы и не позволяет в случае необходимости быстро переключать потоки газа;
• в результате температурных перемещений трубы внутри футляра в месте прохода через стенки колодца во-первых, нарушается герметизация ввода, а во-вторых, место прохода в результате повреждения изоляции и благоприятных увлажненных условий является очагом коррозионных процессов;
• разрушение бетонных конструкций в результате излишнего увлажнения и пучинистых свойств прилегающих грунтов при сезонном промерзании;
• утечки газа из разъемных соединений (в колодцах, как правило, располагаются фланцевая задвижка и компенсатор температурных удлинений для удобства монтажа и замены отключающих устройств);
Кроме того колодезная установка отключающих устройств предусматривает большие затраты на обслуживание узла в процессе эксплуатации газораспределительной сети. Также наличие подземной полости с потенциальным источником утечки газа ведет к повышению вероятности возникновения аварийной ситуации, особенно в условиях плотной застройки городских и сельских поселений.
Также в структуре газораспределения имеется ряд проблем, связанных с эксплуатацией надземных отключающих устройств. В частности, указанный способ управления потоками газа в некоторых случаях имеет определенные недостатки и дефекты, приводящие к снижению эксплуатационной надежности газовых сетей. Анализ работы применяемых на разных этапах развития газовых сетей отключающих устройств, выполненных в надземном исполнении, показал наличие следующих недостатков:
• необходимость проведения мероприятий по организации защиты от несанкционированного доступа к запорной арматуре;
• наличие разъемных соединений и уплотнений, требующих затрат на эксплуатацию, а также приводящих в процессе эксплуатации к возможным утечкам газа в атмосферу;
• подверженность механическим воздействиям места опускания газопровода в землю в результате влияния сил морозного пучения и температурных перемещений стальных участков газопровода, приводящих к повреждению изоляции газопровода, нарушению герметичности футляра и, соответственно, создание благоприятных условий для протекания коррозионных процессов в месте повреждения;
• наличие недопустимых конструктивных элементов в виде штуцеров с резьбовыми соединениями и заплатами на участках обвязки запорной арматуры;
• низкое качество строительно-монтажных работ по устройству защитных футляров, опор под запорную арматуру, изоляционных работ на подземных участках, а также несоблюдение вертикальности труб и недостаточное уплотнение грунта в местах опуска газопровода в землю особенно в начальный период эксплуатации.
Проведенный анализ работы отключающих устройств на наружных газопроводах и оценка планового положения запорной арматуры в общей структуре газоснабжения показали, что при развитии газораспределительных систем возникли участки газовой сети, в том числе закольцованных газопроводов от разных источников питания (пунктов редуцирования газа, газораспределительных станций), с отсутствием рассекающей запорной арматуры. Отсутствие
рассекающей запорной арматуры снижает эксплуатационную надежность газовых сетей и повышает время простоя при плановых отключениях, а также увеличивает количество отключаемых потребителей при регламентных и аварийных работах на отдельных участках газораспределительной сети. Кроме того, в некоторых случаях отсутствует возможность перенаправлять потоки газа по разным направлениям при проведении регламентных работ на газораспределительных станциях и пунктах редуцирования газа при их отключении от газовой сети.
В настоящее время значительную долю в общем балансе газораспределения занимают стальные газопроводы, однако согласно действующему законодательству, проектирование и строительство газопроводов необходимо вести преимущественно с применением полиэтиленовых труб [2]. Поскольку материал труб влияет на надежность распределительных газопроводов [3], то есть сети, выполненные из полиэтиленовых и стальных труб, имеют разную степень надежности. Следовательно, для повышения надежности системы газораспределения в целом необходимо устройство запорной арматуры в местах подключения проектируемых полиэтиленовых газопроводов в существующие стальные газораспределительные сети.
Таким образом, для обеспечения требуемой надежности распределения газа необходимо совершенствовать узлы управления потоками газа путем их рациональной расстановки и при необходимости, замены существующих ненадежных отключающих устройств на современные.
Для повышения эксплуатационной надежности работы газовых сетей в направлении совершенствования систем управления потоками газа необходимо проводить периодический мониторинг газораспределительных систем с целью оценки надежности существующих отключающих устройств, определения необходимого количества и рационального размещения запорной арматуры в условиях существующей застройки. Кроме того, возникает необходимость в моделировании работы газораспределительной сети с учетом гидравлической увязки от разных источников питания и возможности перераспределения потоков газа при отключении отдельных участков газопровода или источников питания от газовой сети на аварийные или регламентные работы. Моделирование рациональной расстановки запорной арматуры на газораспределительных сетях должно выполняться как по каждой категории газопровода отдельно (низкого, среднего и высокого давления), так и в комплексе переключения по всей газораспределительной сети от газораспределительной станции до конечного потребителя газа.
При моделировании работы газораспределительных сетей необходимо производить расстановку отключающих устройств с целью снижения затрат на пуско-наладочные операции после остановок поставки газа, а также для обеспечения минимизации ущерба окружающей среде и экономических потерь в результате выбросов газа при продувках и аварийных ситуациях.
Также следует отметить, что при расстановке запорной арматуры в структуре газораспределительной сети необходимо учитывать затраты на устройство новых отключающих устройств, в том числе затраты на землеотвод, проектирование, материалы, строительно-монтажные и пуско-на-ладочные работы.
Систему контроля надежности управлением потоками газа с использованием отключающих устройств можно представить следующим образом (рис. 2).
Реализация данной системы контроля надежности управления потоками газа в газораспределительных сетях позволит обеспечить:
• уменьшение затрат на аварийные отключения (при отсутствии запорной арматуры на участках газораспределительной системы при аварийных ситуациях возникает необходимость отключения всей газовой сети, в том числе закольцованной, что ведет к значительным затратам и технологическим потерям);
• повышение надежности поставок газа потребителям за счет переключения секционированной сети при аварийных и плановых прекращения подачи газа;
• повышение безопасности при аварийных ситуациях;
• минимизацию технологических и аварийных потерь газа.
Еще одной проблемой, присущей действующим сетям газораспределения, является качество одоризации газа, то есть придание ему специфического запаха для обнаружения утечек потребителями. Источником одоризации газовых сетей, как правило, является газораспределительная станция [4]. В результате развития газораспределительных сетей на большие расстояния от газораспределительной станции в удаленных точках концентрация одоранта в транспортируемом газе снижается, что приводит к понижению способности обнаружения потребите-
Рис. 2. Система контроля надежности управлением потоками газа с использованием отключающих устройств
Архитектура газовой сети
Структура газоснабжения, основные параметры, размещение запорной арматуры
Анализ работы существующих отключающих устройств
Гидравлический расчет газовой сети
Гидравлические расчеты при отключении ГРС и ПРГ
Гидравлические расчеты при отключении отдельных участков линейной части
Моделирование работы газовой сети
Определение необходимости в устройстве дополнительной запорной арматуры
Оценка надежности существующих отключающих устройств
Мероприятия по совершенствованию управления потоками распределения газа
Устройство дополнительной запорной арматуры
Реконструкция существующих отключающих устройств
|Рис. 3. Структура системы мониторинга одоризации газа и системы контроля качества одорированного газа у потребителя
Исходная информация
Конфигурация и структура схемы газоснабжения, основные параметры сети, одорирующее вещество, его количество
Отбор газа для замера степени
одоризации (стационарные или переностные одориметры)
Статистическая информация
Журнал обхода точек отбора газа
Схема с указанием количественной степени одоризации в характерных точках
лями возможных утечек газа. А это в значительной степени ведет к повышению аварийности и снижению безопасности распределения газа. Основной причиной снижения концентрации одоранта в протяженных газопроводах является выпадение его вместе с капельной влагой на стенки газопровода, а также коррозия внутренних стенок стальных газопроводов [5]. В настоящее время для контроля за одоризацией газа можно использовать как переносные, так и стационарные газоанализаторы, устанавливаемые в пунктах редуцирования газа или у потребителей [6]. Увеличить количество вводимого одоранта в газораспределительную сеть не всегда возможно, поскольку у ближайших к ГРС потребителей концентрация одоранта может достигать максимальных значений, что не допустимо нормативными документами. Поэтому решение указанной проблемы возможно путем устройства одоризаторов в пунктах
Математическая модель потери качества одорированного газа
Расчет радиуса действия узла ввода одоранта
Технологические параметры транспортировки газа
Мероприятия повышения качества одорированного газа
На стадии проектирования
На стадии эксплуатации
редуцирования газа, но это технически осуществить достаточно сложно: во-первых, необходимы дополнительные площадки для размещения блоков одоризации, во-вторых, возникает необходимость в техническом обслуживании и эксплуатации одоризирующего оборудования. В результате указанный подход не всегда можно осуществить в условиях существующей застройки. Другим способом является совершенствование существующих одорантов с целью создания такого вещества, которое бы имело стабильность на всем протяжении транспорта газа по газопроводам. Работы
Запорная арматура
I
в данном направлении в настоящее время ведутся кругом специалистов. Решение указанной проблемы также возможно путем контроля за одоризацией газа в процессе эксплуатации газораспределительных сетей и ограничения развития газораспределительной сети при ожидаемой критической концентрации одоранта у конечного потребителя. Для контроля за содержанием этилмеркаптана в поставляемом потребителю газе предлагается проводить мониторинг системы путем периодических замеров с применением переносных датчиков, а также постоянный контроль с использованием стационарных устройств в пунктах редуцирования газа. Указанные показатели регистрируются, в результате создается статистическая база данных. С использованием полученной информации разрабатывается модель одоризации газораспределительной сети, которая учитывает технологические параметры газа (расход, давление, состав, наличие примесей и т.д.), а также конструктивные особенности газопровода (диаметр, состояние внутренней поверхности, срок эксплуатации, способ прокладки, наличие конденсатосборников, структура сети и т.д.). В результате моделирования одоризации существующей сети газораспределения разрабатываются мероприятия по обеспечению требуемого качества одоризации. Кроме того, эти обстоятельства необходимо учитывать на стадии проектирования газораспределительных систем. При разработке схем газоснабжения нужно учитывать не только потери давления по сети газораспределения, но и потери качества одоризации газа у конечных потребителей. Таким образом, возникает необходимость в прогнозировании уменьшения количества меркаптанов в транспортируемом газе в результате чрезмерного увеличения расстояния от источника одоризации до потребителя. Итак, немаловажным направлением обеспечения надежной и безопасной эксплуатации газораспределительных сетей является система мониторинга одоризации, которую необходимо учитывать как на стадии эксплуатации (при планировании развития сети и подключения новых потребителей), так и на стадии проектирования.
Общая структура указанной системы указана на рис. 3.
Внедрение системы мониторинга одоризации газа и системы контроля качества одорированного газа у потребителя позволит повысить эксплуатационную надежность газораспределительной системы и, соответственно, безопасность использования газа в качестве топлива.
Итак, в результате анализа развития газораспределительных систем выявляются некоторые проблемы и
Рис. 4. Причины снижения эксплуатационной надежности газораспределительных систем
Дефицит пропускной способности
наличие в газораспределительных системах участков газопроводов с дефицитом пропускной способности, а также пунктов редуцирования газа, работающих на предельно загруженных режимах. Кроме того, в некоторых случаях наблюдается перегруженность отдельных газораспределительных станций (пунктов редуцирования газа) и, наоборот, недозагруженность других, что приводит к нерациональному распределению газа
недостаточное количество и неточное расположение запорной арматуры и в ряде случаев низкая степень надежности существующих отключающих устройств
Снижение качества одорированного газа
недостаточная степень одоризации газа и низкое качество одорированного газа у удаленных от ГРС потребителей
Рис. 5. Предпосылки создания системы комплексного мониторинга эксплуатационной надежности и состояния газораспределительной сети
несовершенства газовых сетей, связанные со снижением эксплуатационной надежности и безопасности газоснабжения потребителей. Проведенные исследования развития газовых сетей показали наличие следующих патологий существующих газораспределительных систем, которые приводят к снижению их эксплуатационной надежности (рис. 4).
Для совершенствования развития газораспределительных систем с точки зрения повышения их эксплуатационной надежности и безопасности возникают предпосылки создания системы комплексного мониторинга эксплуатационной надежности и состояния газораспределительной сети (рис. 5). Система должна представлять собой процесс наблюдения за состоянием газораспределительной сети, систематический сбор и обработку информации, моделирование процесса распределения газа по направлениям, влияющим на эксплуатационную надежность работы газовых сетей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Газопроводы из полимерных материалов: Пособие по проектированию, строительству и эксплуатации / Шурайц А.Л., Каргин В.Ю., Вольнов Ю.Н. Саратов: Волга - XXI век, 2007. 612 с.
2. СП 62.13330.2011 Свод правил. Газораспределительные системы. Актуализированная редакция СНиП 42-012002 (с изменениями № 1) М., 2011. 70 с.
3. Подземные полиэтиленовые газопроводы. Проектирование и строительство / Шурайц А.Л., Каргин В.Ю., Недлин М.С. Саратов: ООО «Приволжск. изд-во», 2012. 408 с.
4. СТО Газпром 2-3.5-051 2006. Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов. М., 2006. 205 с.
5. Ковалев Б.К. Одоризация природного газа: проблемы и решения // Газовая промышленность. 2015. № 9 С. 86-87.
6. Рыбкин Д.Е. Контроль одоризации: нос или прибор? // Газ России. 2014. № 1. С. 22-25.
ACTUAL PROBLEMS OF GAS NETWORKS DEVELOPMENT AND THE MAIN WAYS FOR IMPROVING THE OPERATIONAL RELIABILITY OF GAS DISTRIBUTION SYSTEMS
KUSKILDIN T.R , Director
JSC «Gazprom gas distribution Ufa» (2, Kirova St., village Knyazevo, Kalinin district, 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected]
DMITRIEV M.E., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas MASTOBAEV B.N., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Transport and Storage of Oil and Gas Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The article highlights actual problems reduce operational reliability of gas supply to consumers as a result of imperfect development of gas distribution systems are highlighted. As well as it identified the main causes of pipeline capacity deficit, reducing the quality of the odorized gas during its transportation to end consumers, as well as an analysis of existing control units of gas flows is carried out revealed deficiencies in their design. Preconditions of creating an integrated gas distribution network monitoring system to ensure reliable and safe gas distribution are shown. Keywords: pipeline, gas networks, odorization, valves, operating reliability, monitoring system
REFERENCES
1. Shurayts A.L., Kargin V.YU., Vol'nov YU.N. Gazoprovody iz polimernykh materialov [Gas pipes made of polymer materials]. Saratov, Volga - XXI vek Publ., 2007. 612 p.
2. SP 62.13330.2011 Svod pravil. Gazoraspredelitel'nyye sistemy. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 42-01-2002 (s izmeneniyami №1) [SP 62.13330.2011 Rulebook. Gas distribution system. The updated edition of SN&P 42-01-2002 (as amended №1)]. Moscow, 2011. 70 p.
3. Shurayts A.L., Kargin V.YU., Nedlin M.S. Podzemnyyepolietilenovyye gazoprovody. Proyektirovaniye istroitel'stvo [The underground plastic pipelines. Design and construction]. Saratov, OOO Privolzhsk Publ., 2012. 408 p.
4. STO Gazprom 2-3.5-051-2006. Normy tekhnologicheskogo proyektirovaniya magistral'nykh gazoprovodov [STO Gazprom 2-3.5-051-2006 Norms of technological design of trunk pipelines]. Moscow, 2006. 205 p.
5. Kovalev B.K. Odorization of natural gas: problems and solutions. Gazovaya promyshlennost, 2015, no. 9, pp. 86-87. (In Russian).
6. Rybkin D. Ye. Odorization control: the nose or the device. GazRossii, 2014, no. 1, pp. 22-25. (In Russian).
